纳米陶瓷粉体的应用现状与展望.docx

纳米陶瓷粉体的应用现状与展望李涛(西南科技大学工程技术中心 ,四川绵阳 ,621010)摘 要 :纳米陶瓷粉体在精细陶瓷 、功能陶瓷 、生物陶瓷及精细化工材料等高技术领域中得到了广泛的应用 ,已成为当今发展高技术材料的基石 。分析纳米陶瓷粉体的应用研究现状 ,对研究其发展前景具有重要的现 实意义 。关 键 词 :纳米陶瓷粉体 ;应用现况 ;发展前景中图分类号 : TB383 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 0076 (2004) 03 - 0052 - 03The Current Application and its Prospect of Nano - Cera mic Po wdersL I Tao( Engineering and Technology Center of Southwe st University of Science and Technology , Mianyang , Sichuan 621010 , China)Abstract : Nano - ceramic powders is applied broadly in high technology fields , such as fine ceramics , function ceramics , biology ceramics and fine chemical industry materials , which has been the foundationof current high - technology materials. Its very important to analyze current application and future de2velopment of nano - ceramic powders.Key words : nano - ceramic powders ; current application ; future development纳米陶瓷粉体具备高纯 、超细 、良好的分散性 ,较高的反应活性 ,完整稳定的晶体结构 ,优越的声 、 光 、电 、磁等性能 ,是制备高技术新型陶瓷材料的基 础 ,在精细陶瓷 、功能陶瓷 、生物陶瓷及精细化工材 料等高新技术领域得到了广泛的应用 。国外把高 纯 、超细粉体当作是高技术新材料的生命之源 ,可见 纳 米 粉 体 与 高 新 技 术 材 料 之 间 的 关 系 非 常 密疲劳强度等力学性能为特征的材料3 。用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有效减少材料表面的缺陷 , 获得形态均一和平滑的表面 ,能增强界面活性 ,提高 材料单晶的强度 , 还能有效降低应力集中 , 减少磨 损 ,特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性4 。陶瓷材料的断裂主要在于材料内部的宏观缺陷(如气孔 、粗大颗粒和裂纹等) 引起应力集中以致断1/ 2裂 。陶瓷材料的断裂应力为 : c = 0 + Kc / d ; 式中0 、Kc 为常数 , d 为颗粒直径 。由此式可知 , 原料越细 ,材料的强度越高5 。陶瓷材料的颗粒尺寸与强 度的关系 ,一般是随着颗粒尺寸的减小 ,强度指数得 以提高 。纳米陶瓷粉体可引起材料晶粒和内部气孔 或缺陷尺寸的减小 ,小的晶粒不易造成穿晶断裂 ,有 利于提高材料的断裂韧性6 。切1 2。目前 ,纳米陶瓷粉体的应用研究仍是纳米领域中研究较为活跃的课题 。纳米陶瓷粉体的应用现状1应用于提高陶瓷材料的机械强度结构陶瓷是以强度 、刚度 、韧性 、耐磨性 、硬度 、1 . 1 收稿日期 :2003 - 08 - 22 ;修回日期 :2004 - 03 - 02作者简介 :李涛 (1974 - ) ,男 ,山东滕州人 ,讲师 ,硕士 ,主要从事纳米材料 、电子材料的研究 。第 3 期李涛 :纳米陶瓷粉体的应用现状与展望53 利用纳米陶瓷粉体进行纳米尺度合成 ,使人们为之奋斗近一个世纪的陶瓷增韧问题的突破成为可 能 。研究表明 ,利用纳米 SiC 粉体作为基体材料可 以成功地合成纳米结构的 SiC 块体材料 ,在不损伤 其强度等综合力学性能的情况下 ,其韧性则可得到有效的提高7 8 。材料是以晶界效应来体现其性能的 ,如半导体中的正温度系数 ( PTC) 陶瓷 , 则纳米细化晶粒又将可能 提高它的灵敏度以及稳定性6 。应用于制备陶瓷工具刀纳米技术的出现以及纳米粉体的工业化生产 ,使得制备金属陶瓷刀成为现实 。国家科技攻关项目纳米 TiN 、AlN 改性的 TiC 基金属陶瓷刀具制造技 术指出 ,在金属陶瓷中主要加入纳米氮化钛以后可 以细化晶粒 , 晶粒细小有利于提高材料的强度 、硬 度 ,同时断裂韧性也得到提高 。研制的纳米 TiN 改 性 TiC 基金属陶瓷刀具具有优良的力学性能 ,是一 种高技术含量 、高附加值的新型刀具 。在切削加工 领域可以部分取代 YG8 、YT15 等硬质合金刀具 , 刀 具的寿命可以提高 2 倍以上 ,而生产成本却略低于 YG8 刀具 ,具有广泛的开发前景13 14 。1 . 4应用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷 材料中产生超塑性行为 ,其原因是晶粒的纳米化有 助于晶粒间产生相对滑移 ,使材料具有塑性行为6 。 自 20 世纪 80 年代中期以来 ,超塑性陶瓷材料相继 在实验室问世 。维科 (wakai ) 和奈 ( nich) 等人在加 Y2O3 稳定剂的四方二氧化锆 (粒径小于 300nm) 中观 察到了超塑性 。近年来 , 对细晶粒 Al2O3 陶瓷超塑 性的研究引起了人们的极大兴趣 , 做了不少尝试 。 用纳米 Al2O3 陶瓷粉体为基体 ,利用其致密速度快 、 烧结温度低和良好的界面延展性 ,在烧结过程中控 制颗粒尺寸在 200500nm 的最佳范围 ,是完全可以 获得具有良好超塑性陶瓷材料的3 。1 . 2应用于制备生物陶瓷生物陶瓷是具有特殊生理行为的陶瓷材料 ,可 以用来构成人体骨骼和牙齿的某些部位 ,甚至可望 部分或整体地修复或替换人体的某种组织或器官或 增进其功能6 。利用纳米陶瓷粉体制备的生物陶瓷 主要有以下三种类型 :( 1 ) 接 近 于 生 物 惰 性 的 陶 瓷 , 如 氧 化 铝 (Al2O3) 15 。其性状为单晶状或烧结多孔体 ,该材料 强度高 、色泽好 、成型技术简便 ,可用于嵌体 、冠 ,甚 至前牙桥等固定修复体的制作 ,有较高的临床应用价值 。主要用来制造人工齿 、骨 、关节和固定化酶载 体等 。1 . 5应用于制备电子 (功能) 陶瓷电子 (功能) 陶瓷是指在应用时主要利用其非力 学性能的陶瓷材料 ,这类材料以其物理性能为特征 , 通常具有一种或多种功能 , 如电 、磁 、光 、热 、声 、化 学 、生物等 ,有的还有耦合功能 ,如压电 、压磁 、热电 、 电光 、声光 、磁光等 。如 Pb ( ZrTi) O3 ( PZT) 陶瓷具有 优良的压电 、介电 、声电等电学性能 ,其纳米粉体被 广泛用来制备压电陶瓷 、微位移驱动器 、超声换能器 等电子元器件9 10 ; ZnO 陶瓷随电压的变化其电阻 值具有优良的非线性变化的性质 ,常用来制备压敏 陶瓷电阻等电子器件11 ;MgO 陶瓷具有对水汽的敏 感性 ,常用来制备检测湿度的湿敏陶瓷12 ;等等 。纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶 瓷 ,原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数 量的大大增加 ,当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级 ,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数 增加 。如晶粒尺寸为 36nm , 晶界的厚度 1 2nm 时 ,晶界的体积约占据整个体积的 50 % 。原料中的 杂质和添加物处于晶界的位置 ,同样多的第二相分 布于更大面积的晶界处 ,必然使晶界变得很薄 ,这样可大大减小晶界物质对材料的不利影响 ,可提高陶 瓷材料的绝缘性 、介电性等性能 。如果生产的陶瓷1 . 3( )2 表面活性生物陶瓷 , 如致密羟 基 磷 灰 石(10CaO - 3P2O5 H2O) 16 。主要性状为多结晶体或多孔体 。羟基磷灰石烧结后不仅致密度有很大提高 ,孔隙尺寸分散性较小 ,且均为均匀细小的微孔 。这 种形貌特征有利于骨组织在孔隙中生长 ,具有较好 的成骨效应 ,主要用来制造人工骨和固定化酶载体 。(3) 可吸收生物陶瓷 , 如磷酸三钙 ( CaO - P O2 5( TCP) ) 6 ,17 。其主要性状为烧结体或多孔体 ,它具有生物相容性 、生物降解性等复合生物活性 ,主要用 来制造人工骨 、人工齿根或骨置换材料等 。应用于制备功能性陶瓷纤维20 世纪 80 年代中期日本率先开发的新型功能 性陶瓷纤维 ,是通过添加和配合不同种类的陶瓷微1 . 654 矿产保护与利用2004 年粉 ,采用不同的方法制作而成 。我国陶瓷纤维的研究开发于 20 世纪 90 年代中期形成高潮 ,产品遍及 全国市场并进入消费者的生活18 20 。纳米陶瓷粉 体在其中的应用主要在以下几个方面 :(1) 防紫外线纤维 。利用陶瓷微粉与纤维或织 物结合 ,增加表面对紫外线的反射和散射作用 ,以防 紫外线透过织物而损害人体皮肤 。这些陶瓷微粉包 括高岭土 、碳酸钙 、滑石粉 、氧化铁 、氧化锌 、氧化亚 铅等 ,其中以氧化锌和氧化亚铅为好 。(2) 远红外线保温纤维 。利用陶瓷微粉都具有 发射远红外线的功能 ,把它填充到纤维中 ,则可使纤 维在一定温度下能发射 714m 的远红外线给予 人体 ,它所载的能量易为人体内水分子所共振吸收 , 使人体局部产生温热效应 ,促进血液循环 。远红外 线纤维中使用最多的陶瓷微粉是金属氧化物 ,其中以氧化铝 、氧化镁 、氧化锆为好 ,有时也使用二氧化 钛和二氧化硅 。(3) 抗菌防臭纤维 。众多的抗菌防臭剂中 ,含新 型陶瓷微粉的金属化合物的抗菌效果较为突出 ,例 如将氧化锌 、氯化银 、氧化铜 、氯化亚铜 、硫酸铜 、硝酸铜等 ,按一定比例添加到特定的聚酯纤维中 ,其产 品灭菌率为 90 %99 % 。参考文献 :1乐志强 ,等. 功能产品的开发与无机盐工业 J . 化工进展 ,1989 , (5) :47 - 51.宋桂明 ,等. 纳米陶瓷粉体的制备技术及产业化 J . 矿 冶 ,2001 ,10 (2) :55 - 60.贡长生 ,等. 新型功能材料M . 北京 : 化学工业出版社 ,2001 ,1 :132 - 139.唐爱东. 功能粉体加工技术的发展 J . 矿产保护与利 用 ,1997 , (4) :42 - 45.坂野久夫. 最新精密陶瓷 M . 上海 : 同济大学出版社 ,1991. 11 - 19.高技术新材料要览编委会. 高技术新材料要览M . 北 京 :中国科学技术出版社 :238 - 242 ,264 - 265 ,287 - 289. 董绍明 ,等. 高温等静压烧结碳化硅基复相陶瓷的强化 与增韧J . 无机材料学报 ,1999 ,2 ,14 (1) :61 - 65.黄政仁 ,等. 原位增韧 SiC - YAG 复相陶瓷的致密化J .无机材料学报 ,1999 ,10 ,14 (5) :726 - 732.Yee , Y. , Nam , H. ,Lee ,S. et al . 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